半导体的光学常数和光吸收.ppt

半导体的光学常数和光吸收⑵吸收系数：光在介质中传播时有衰减，说明介质对光有吸收。用透射法测定光在介质中传播的衰减情况时，发现介质中光的衰减率与光的强度成正比，引入比例系数，即：
⑶反射系数R：反射系数R是界面反射能流密度和入射能流密度之比，若以和分别代表入射波和反射波电矢量振幅，则有：

⑷透射系数T：透射系数T为透射能流密度和入射能流密度之比，由于能量守恒，在界面上可以得到：T=1-R
当光透过厚度为d，吸收系数为的介质时有：
二、半导体的光吸收
光在导电介质中传播时具有衰减现象，即产生光的吸收，半导体材料通常能强烈的吸收光能，具有105cm-1的吸收系数。对于半导体材料，自由电子和束缚电子的吸收都很重要。
价带电子吸收足够的能量从价带跃迁入导带，是半导体研究中最重要的吸收过程。与原子吸收的分立谱线不同，半导体材料的能带是连续分布的，光吸收表现为连续的吸收带。
下面介绍几种半导体的光吸收过程：价带电子吸收能量大于或等于禁带宽度的光子使电子从价带跃迁入导带的过程被称为本征吸收。

当半导体被光照射后，如果光子的能量等于禁带宽度(即hν=Eg)，则半导体会吸收光子而产生电子-空穴对，如(a)所示。若hν大于Eg，则除了会产生电子-空穴对之外，多余的能量(hν-Eg)将以热的形式耗散，如(b)所示。以上(a)与(b)的过程皆称为本征跃迁，或称为能带至能带的跃迁。另一方面，若hν小于Eg，则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成的能态时，光子才会被吸收，如(c)所示，这种过程称为非本征跃迁。（2）直接跃迁和直接带隙半导体参照右图所示的一维E(k)曲线可见，为了满足选择定则，吸收光子只能使处在价带中状态A的电子跃迁到导带中k相同的状态B。A与B在E(k)曲线上位于同一竖直线上，这种跃迁称为直接跃迁。在A到B的直接跃迁中所吸收的光子能量hν与图中垂直距离相对应。就是说，和任何一个k值相对应的导带与价带之间的能量差相当的光子都有可能被吸收，而能量最小的光子对应于电子从价带顶到导带底的跃迁，其能量等于禁带宽度Eg。本征吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限ν0＝Eg／h。因而，从光吸收谱的测量可以求出禁带宽度Eg。在常用半导体中，III-Ⅴ族的GaAs、InSb及Ⅱ-Ⅵ族等材料，导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢，常称为直接禁带半导体。这种半导体在本征吸收过程中发生电子的直接跃迁。
由理论计算可知，在直接跃迁中，如果对于任何k值的跃迁都是允许的，则吸收系数与光子能量的关系为：
（3）间接跃迁与间接带隙半导体：诸如硅和锗的一些半导体材料，导带底和价带顶并不像直接带隙半导体那样具有相同的波矢k。这类半导体称为间接带隙半导体，对这类半导体，任何直接跃迁所吸收的光子能量都应该比其禁带宽度Eg大得多。因此，若只有直接跃迁，这类半导体应不存在与禁带宽度相当的光子吸收。这与实际情况不符。
这就意味着在本征吸收中除了有符合选择定则的直接跃迁外，还存在另外一种形式的跃迁，如右图中的O→S跃迁。在这种跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格振动交换一定的能量，即放出或吸收一个或多个声子。这时，准能量守恒不再是电子和光子之间所能满足的关系，更主要的参与者应该是声子。这种跃迁被称为非直接跃迁，或称间接跃迁。总之，半导体材料的光吸收过程中，如果只考虑电子和光子的相互作用，则根据动量守恒要求，只可能发生直接跃迁；但如果还考虑电子与晶格的相互作用，则非直接跃迁也是可能的，这是由于依靠发射或吸收一个声子，使动量守恒原则仍然得到满足。
由于间接跃迁的吸收过程一方面依赖于电子和光子的相互作用，另一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，因此理论上这是一种二级过程。其发生概率要比直接跃迁小很多。因此，间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。前者一般为1~1×103cm-1数量级，而后者一般为1×104~1×106cm-1。（4）激子（exciton）吸收

在低温时发现，某些晶体在本征连续吸收光谱出现以前，即hν＜Eg时，就会出现一系列吸收线，但产生这些吸收线的过程并不产生光电导，说明这种吸收不产生自由电子或空穴。
在这种过程中，由于光子能量hν＜Eg，受激发后的价带电子不足以进入导带而成为自由电子，仍然受到空穴的库仑场作用。实际上，受激电子和空穴互相束缚而结合在一起成为一个新的系统，称这种系统为激子，产生激子的光吸收称为激子吸收。激子中电子与空穴之间的作用类似氢原子中电子与质子之间的相互作用。
激子在晶体中某处产生后，并不一定停留在该处，也可以在整个晶体中运动。固定不动的激子称为束缚激子，可以移动的激子称为自由激子。由于激子是电中性的，因此自由激子的运动并不形成电流。半导体中的激子能级非常密集，激子吸收线与本征吸收的长波限差别不大，常常要在低温下用